基於石墨烯調控布魯斯特角 — 實現超廣譜太赫茲光波調製器

2021-03-01 兩江科技評論

太赫茲光波是一種介於遠紅外光與微波之間的電磁波。由於其特殊的波長和頻率，太赫茲光波可以用於特殊成像（如安檢儀），無損生物檢測，短程通訊等領域。太赫茲調製器，及用於調製光波強度或者相位的動態器件，是重要的基本光學元件。它必須滿足高調製深度，低功耗，廣譜等要求。在以往的太赫茲調製器中，通常總是難以同時滿足這些要求。譬如基於電磁共振結構的器件（如超材料），可以達到高調製深度，但是其只能用於某個特殊頻率波段，不能實現廣譜多頻段。香港中文大學電子系許建斌與Emma Pickwell-Mac Pherson課題組合作提出了基於石墨烯和石英界面太赫茲布魯斯特反射的太赫茲調製器，實現了高調製深度（99.5%）和廣譜（0.2THz-1.6THz）特性。該研究成果近日發表在最新一期的《自然×通訊》（Nature Communications，DOI:10.1038/s41467-018-07367-8）期刊上。

早在1815年，英國著名科學家David Brewster就提出了p-偏振光在特定的角度入射到介質表面時，可以實現零（無）反射。這個角度被定義為布魯斯特角。許建斌教授與其課題組的陳澤峰博士等提出通過改變柵壓調控石墨烯電導，進而可以實現可調製的布魯斯特角。如果太赫茲光波以石英的布魯斯特角入射到器件，那麼就可以實現太赫茲反射波由零反射到有限反射的變化，從而實現高調製深度。此原理與頻率無關，也就是說可以實現一個超廣譜多頻段的器件。

圖一

 作者在文章中首先展示了利用石墨烯調控布魯斯特角的概念。如圖1所示，器件由石英，TiOx，Al2O3，和石墨烯疊加排列製備而成。其中TiOx在此作為柵極電極，因為它具有適和的電導，同時其在太赫茲波段呈透明性，不影響太赫茲光波反射。Al2O3在此作為柵極絕緣介質。通過施加柵壓，此疊層結構的布魯斯特角可以從65度連續調製到73度。如圖2所示，如果以65度作為器件的入射角，由此可以實現高調製深度的太赫茲波強度調製器。如圖3所示，如果以68度作為入射角，則可以作為相位調製器。

 

圖二

圖三

 

     此外該個器件是固態器件，理論上可以實現高速調製。在此研究中作者展示了其調製深度的頻率可以達到10KHz。「理論上可以實現更快的調製頻率，這取決器件的尺寸大小。因為器件面積的大小決定了其RC充放電時間。現有器件尺寸是在釐米級，其調製頻率只能達到10KHz左右，而進一步縮小器件面積，其就可望達到MHz 量級。」 陳澤峰博士解釋道。  


 文章連結  

https://www.nature.com/articles/s41467-018-07367-8

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